Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón

Nội dung luận văn “Nghiên c u, tính toán, thiết kế và chế t o mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” do thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương hướng dẫn, được thực h

TịM TẮT

Các nghiên c u ngày nay về turbine gió là làm sao điều khiển hiệu qu tốc độ c a turbine khi vận tốc gió thay đổi, đ m b o hiệu suất turbine ho t động cao nhất Nhược điểm lớn nhất c a các hệ thống turbine gió hiện t i là khi tốc độ gió thay đổi, thì tốc độ turbine luôn không ổn định Các nghiên c u ngày nay về turbine gió là làm sao điều khiển hiệu qu tốc độ c a turbine khi vận tốc gió thay đổi

Nội dung luận văn “Nghiên c u, tính toán, thiết kế và chế t o mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón” do thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương hướng dẫn, được thực hiện trong th i gian hơn 8 tháng đã hoàn thành Nội dung luận văn trình bày về một kết cấu bộ điều tốc cánh turbine mới bằng cách dùng hệ bánh răng nón để thực hiện việc xoay cánh turbine với phương pháp thiết kế, chế t o và quá trình điều khiển hoàn toàn đơn gi n

Sau quá trình tính toán và thiết kế, mô hình thí nghiệm đã được thi công hoàn chỉnh

và được thực nghiệm t i khoa Cơ Khí máy trư ng Đ i học Sư ph m Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Kết qu thí nghiệm cho thấy bộ điều tốc sử dụng hệ bánh răng nón

ho t động rất hiệu qu , tốc độ turbine được điều khiển linh ho t nh hệ thống trục vít bánh vít và động cơ bước Kết qu ban đầu cho thấy quá trình nghiên c u đã đem l i những thành công trong quá trình điều khiển tốc độ turbine gió, đ m b o độ ổn định, cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine trong quá trình ho t động

ABSTRACT

Today, the researches about the wind turbine is how to effectively control the speed

of the turbine when the wind speed changes, ensure that the turbines are highest effective performance This is the biggest weakness of the current wind turbine system

Thesis content "Research, calculate, design and manufacture the model control of wind turbine speed by bevel-gear system " by teacher Dr Nguyen Ngoc Phuong guide, was completed in the near 8 months Thesis content consturcted a system control of wind turbine speed by using the bevel-gear system to revolve the turbine blade with manufacturing and control process is straightforward

After the calculation and design, experimental models is completed and experimented at the mechanical Department of Engineering University of Technical Education Ho Chi Minh Experimental results showed that the turbine operated effectively, flexible, turbine speed is controlled by bevel-gear and stepper motor The fist results showed that the research brought success in control the wind turbine speed, ensure safeness and balance for the turbine system during operation

M C L C

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

L i cam đoan ii

C m t iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh mục hình vẽ ix

Danh mục b ng xi

Danh mục ký hiệu xii

CH NG 1: T NG QUAN 13

1.1 T ng quan v lĩnh v c nghiên c u: 13

1.1.1 Lý do chọn đề tài 13

1.1.2 Mục đích c a đề tài nghiên c u 14

1.1.3 Tình hình nghiên c u trong và ngoài nước 15

1.2 Đ i t ng vƠ ph m vi nghiên c u 16

1.3 ụ nghĩa th c ti n vƠ ý nghĩa khoa h c c a đ tƠi 16

1.4 Ph ng pháp nghiên c u 16

CH NG 2: C S Lụ THUY T 17

2.1 T ng quan v năng l ng gió 17

2.1.1 Định nghĩa gió và máy phát điện gió 17

2.1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió 18

2.2 Phân lo i turbine gió 24

2.2.1 Turbine gió trụ đ ng 24

2.2.2 Turbine gió trụ ngang 26

2.3 Đ ng l c h c cánh turbine gió 28

2.3.1 Thuyết động học c a turbine 28

2.3.2 Động lực học cánh turbine gió 30

2.4 Phân tích l c và các y u t h nh h ng đ n turbine 32

2.4.1 Phân tích lực tác dụng lên cánh turbine 32

2.4.2 Các giá trị nh hư ng đến tốc độ trục chính turbine 36

2.4.3 M i quan h gi a góc t i α vƠ C l , C d 39

CH NG 3: TệNH TOÁN, THI T K C KHệ 41

3.1 Thi t k cánh turbine 41

3.1.1 Đư ng kính cánh turbine 41

3.1.2 Tỷ số tốc độ đỉnh TSR (Tip Speed Ratio) 42

3.1.3 Hiệu suất turbine Cp 43

3.1.4 Số lượng cánh turbine 44

3.2 Tính toán, thi t k tr c turbine 45

3.2.1 Tính toán số vòng quay c a turbine 45

3.2.2 Tính toán thiết kế hộp tốc độ 46

3.2.3 Tính toán đư ng kính trục 50

3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 52

3.2.5 Chọn động cơ 53

3.2.5.1 Các lo i động cơ bước và so sánh với các lo i động cơ khác 53

3.2.η.2 Tính toán công suất động cơ 58

3.2.θ Lựa chọn c m biến 60

3.2.7 Thiết kế cơ cấu hãm tốc 62

3.2.8 Thiết kế chân giá đỡ 62

CH NG 4: TệNH TOÁN CHO B ĐI U T C 63

4.1 Tính toán s vòng quay tr c chính ng v i s thay đ i c a góc t i 63

4.1.1 Mối quan hệ giữa góc nghiêng cánh và góc tới 63

4.1.2 Tính toán số vòng quay trục chính khi góc cánh thay đổi 63

4.2 Mối quan giữa tốc độ trục chính, hệ bánh răng nón, trục vít bánh vít và động cơ 71 CH NG 5: GI I THI U MỌ HỊNH VÀ TH C NGHI M 73

5.1 Cấu t o vƠ nguyên lý ho t đ ng c a b đi u t c 73

5.1.1 Giới thiệu 73

5.1.2 Nguyên lý ho t động 75

5.2 Kh o sát ho t động c a bộ điều tốc ng với sự thay đổi tốc độ trục chính 78

5 3 K t qu th c nghi m 82

5.3.1 Ghi nhận kết qu 83

5.3.2 Nhận xét kết qu thực nghiệm 85

K T LUẬN VÀ KI N NGH 88

PH L C 89

K HO CH TH C HI N 91

TÀI LI U THAM KH O 92

DANH M C HỊNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1.3 Một d ng kết cấu c a hệ thống xoay cánh turbine 15

Hình 2.1.1 Các d ng turbine gió 18

Hình 2.1.2.1 Mô hình cánh gió t i Tung Mỹ, cuối thế kỷ 19 19

Hình 2.1.2.2 Sử dụng cối xay gió để bơm nước trên đ o Crete 20

Hình 2.1.2.3 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 20

Hình 2.1.2.4 Qu t gió cánh thép bơm nước vùng Trung Tây nước Mỹ (cuối 1800) 21 Hình 2.1.2.5 Máy phát điện s c gió do Charles F.Brush chế t o 22

Hình 2.1.2.6 Kiểu turbine gió được phát minh vào năm 19θ0 23

Hình 2.1.2.7 D ng turbine gió hiện đ i được sử dụng phổ biến ngày nay 24

Hình 2.2.1 Một d ng turbine gió trục đ ng 27

Hình 2.2.1 Một d ng turbine gió trục ngang 29

Hình 2.3.1 Mô hình dòng ch y c a không khí qua mặt cắt ngang 31

Hình 2.3.2 Động lực học cánh turbine gió 33

Hình 2.3.1.1:Phân tích lực tác động lên cánh turbine 35

Hình 2.3.1.2 Biểu diễn lực trên mặt phẳng cắt ngang c a cánh turbine 37

Hình 2.3.1.3 Các yếu tố nh hư ng đến cánh turbine 38

Hình 2.4.2.1 nh hư ng vận tốc đến góc tới 40

Hình 2.4.2.2 Góc tới  tăng làm nh hư ng đến hiệu suất làm việc turbine 41

Hình 2.4.2.3 Hình biểu diễn mặt phẳng lực 42

Hình 2.4.3: Mối quan hệ giữa góc tới α và Cl, Cd 43

Hình 2.4.3 Đư ng kính turbine thiết kế 4η

Hình 3.2.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa Cpvà λ 46

Hình 3.2.3 Mối quan hệ giữa số lượng cánh turbine và hiệu suất Cp 47

Hình 3.2.4 Lựa chọn ổ lăn 55

Hình 3.2.5.1 Động cơ bước từ tr 57

Hình 3.2.5.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 58

Hình 3.2.5.3 Động cơ bước lai 59

Hình 3.2.5.4 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 61

Hình 3.2.6 C m biến từ dùng nhân biết kim lo i 65

Hình 4.1 Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi tốc độ trục chính ng với vận tốc gió khác

nhau khi góc tới thay đổi 72

Hình 4.2 Biểu đồ biểu diễn tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo tính toán lý thuyết 73

Hình 5.1.2.1 Cấu t o bộ điều tốc 78

Hình 5.1.2.2 Bộ cấp điện cho động cơ bước 80

Hình 5.2.1 Mô hình thí nghiệm 81

Hình 5.2.2 Các thí nghiệm tiến hành 83

Hình 5.3.1 Biểu đồ thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ tốc độ trục chính và góc xoay

động cơ 86

Hình 5.3.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước theo thực nghiệm và theo tính toán lý thuyết 88

DANH M C B NG

B NG TRANG

B ng 2.4.3 Giá trị hệ số nâng và hệ số c n tương ng với từng góc 40

B ng 4.1 B ng giá trị diểu diễn mối liên hệ góc tới và góc xoay cánh 59

B ng 4.2.7 B ng tổng hợp tốc độ trục chính ng với các giá trị gía trị góc tới 72

B ng 5.2 Kh o sát góc xoay động cơ bước ng với sự thay đổi tốc độ 82

B ng 5.3.1.1 Giá trị góc xoay động cơ bước ng với sự thay đổi tốc độ trục chính 85

B ng 5.3.1.2 B ng giá trị biểu diễn góc xoay động cơ ng với tốc độ trục chính 87

DANH M C Kụ HI U

a đ i lượng đặc trưng sự thay đổi vận tốc[ ] α góc tới c a dòng không khí [độ]

A diện tích ho t động cánh turbine [m2

] góc xoay cánh turbine [độ]

c chiều dài dây cung cánh [m] φ góc dòng ch y [độ]

Cphệ số công suất turbine [ ] λ tốc độ dỉnh (vận tốc tip)

Cl hệ số c n [ ] hiệu suất turbine [ ]

về năng lượng cũng ngày càng lớn và việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách

th c đối với hầu hết mọi quốc gia Khi các nguồn năng lượng hoá th ch ngày càng bị

c n kiệt, nhu cầu sử dụng điện năng ngày một tăng cao, vấn đề môi trư ng cần được

đ m b o thì việc tìm kiếm, khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng mới được đặt ra rất cấp thiết

Hiện trên thế giới, việc phát triển điện từ nguồn năng lượng mới đang là một xu thế lớn, đặc biệt nguồn năng lượng gió thể hiện m c tăng trư ng cao nhất so với các nguồn năng lượng khác Việt Nam, sự kh i sắc c a nền kinh tế từ sau đổi mới làm nhu cầu về điện gia tăng đột biến trong khi năng lực cung ng chưa phát triển kịp th i Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thư ng trực c a ngành điện lực Việt Nam cũng như c a các doanh nghiệp và ngư i dân c nước Do đó, việc đầu tư và xây dựng các nhà máy phát điện là vô cùng cần thiết và cấp bách Với những thành tựu c a thế giới và tiềm năng c a Việt Nam về năng lượng gió, chúng ta hoàn toàn có thể phát triển nguồn năng lượng này để góp phần vào sự phát triển kinh

tế - xã hội c a đất nước

Với những ưu điểm từ năng lượng gió gi i quyết được vấn đề cấp bách hiện nay là môi trư ng,Việt Nam đang dần xây dựng và m rộng, phát triển nguồn năng lượng

dồi dào này, nhưng để tận dụng triệt để, ngoài yếu tố tự nhiên còn phụ thuộc nhiều

v o vấn đề kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống phát điện gió Do gió là nguồn năng lượng không ổn định nên trong quá trình khai thác thư ng x y ra các sự cố về mặt kỹ thuật làm hư hỏng các hệ thống máy phát Nhược điểm c a động cơ gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay c a turbine cũng thay đổi theo, khi tốc độ trục chính tăng cao vượt qua tốc độ cho phép thì có thể gây cháy máy phát hoặc mất cân bằng toàn bộ hệ thống turbine gây ra những thiệt h i nghiêm trọng

Nhận biết được tầm quan trọng c a động cơ phát điện gió, đề tài “Nghiên c u, tính toán, thiết kế và chế t o mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh

răng nón” được thực hiện Với bộ điều tốc này có thể giữ cho tốc độ quay c a turbine

ổn định bằng cách xoay cánh để thay đổi diện tích bề mặt h ng gió, giúp cho turbine luôn ho t động với hiệu suất lớn nhất, linh ho t vừa t o sự ổn định, mặt khác ph i giữ được sự cân bằng cho toàn bộ hệ thống turbine gió

Khi đề tài được khai thác một cách triệt để sẽ h a hẹn mang đến nhiều thành công mới trong việc xây dựng và chế t o máy phát điện gió phù hợp với mọi sự thay đổi từ gió, nâng cao sự ho t động ổn định cho toàn bộ hệ turbine gió, đ m b o độ cân bằng

c a toàn bộ hệ thống được và gi m bớt những r i ro đồng th i mang l i hiệu qu kinh

tế cao

1.1.2 Mục đích c a đề tài nghiên c u

Một turbine gió cần ph i ho t động với một công suất tối ưu, ph i khai thác được tiềm năng vốn có c a nó, đồng th i cần ph i xét về chi phí, m c độ b o trì Chính vì vậy, cần có những phương pháp điều khiển, kết cấu phù hợp để h n chế những r i ro, chi phí thiết kế gi m, chế độ b o trì và phương pháp điều khiển đơn gi n nhưng hiệu

qu

Nhiệm vụ trước mắt c a đề tài là thực hiện các bước tính toán và thiết kế ban đầu

khi tiến hành chế t o một turbine gió, chế t o thành công mô hình bộ điều tốc cho turbine gió bằng cách sử dụng hệ bánh răng nón để xoay cánh Tiến hành thực nghiệm, thu thập số liệu và so sánh với lý thuyết

Xa hơn nữa, nếu quá trình nghiên c u thành công, h a hẹn sẽ đem l i nhiều đóng góp to lớn cho ngành công nghiệp gió, khai thác triệt để tiềm năng c a nguồn năng lượng này, sử dụng ch yếu ngoài khơi, những nơi có lượng gió dồi dào

1.1.3 Tình hình nghiên c u trong, ngoài nước:

Hiện nay việc thiết kế, chế t o hệ thống cánh để có thể xoay được đã và đang nghiên c u rộng rãi trên thế giới Kết cấu điều khiển cánh riêng lẻ nghĩa là mỗi cánh

sẽ được điều khiển bằng một hệ riêng biệt cũng đang là lĩnh vực nghiên c u mới

[hình 1.1.3a] h a hẹn mang đến nhiều thành công mới trong ngành điện gió Với cách điều khiển này sẽ giúp gi m t i tác dụng lên cánh turbine, giúp turbine ho t động nhẹ hơn, cánh luôn được điều chỉnh kịp th i để tăng hiệu suất cao nhất đồng th i làm tăng

độ bền mỏi c a cánh nên tuổi thọ c a hệ thống cánh tăng lên đáng kể, khắc phục hoàn toàn hiện tượng gãy cánh do chịu áp lực lớn Khi hướng gió thay đổi, t i đặt lên cánh cũng thay đổi, hệ điều khiển từng cánh sẽ ghi nhận t i phân bố trên từng cánh và có nhiệm vụ điều chỉnh để gi m t i và cân bằng ba cánh, do đó, có thể làm cho hệ điều khiển tr nên ph c t p Tiếp đó, quá trình điều khiển riêng lẻ đòi hỏi hệ điều khiển từng cánh ph i luôn ho t động tốt, nếu hệ điều khiển một trong ba cánh c a turbine có vấn đề, không ho t động được thì sẽ dễ dàng gây nh hư ng, làm mất cân bằng hệ thống turbine hơn so với quá trình điều khiển đồng bộ

a b

c d

Với phương pháp thiết kế cũ là 3 cánh turbine đều cố định Với kết cấu này, luôn

đ m b o hệ thống an toàn về mặt kết cấu nhưng nếu vận tốc gió thay đổi đột ngột về tốc độ, cũng như hướng di chuyển thì hiệu suất turbine sẽ không đ t hiệu qu như mong muốn Hiện nay, d ng thiết kế này ít sử dụng, thư ng sử dụng ch yếu nơi gió

có công suất nhỏ như các hộ gia đình

Kết hợp 2 kết cấu trên, việc thiết kế một hệ thống kết cấu có thể điều khiển xoay cánh một cách đồng bộ có nhiều ưu điểm Kết cấu này cũng đang được nghiên c u nhiều trên thế giới với những kết cấu đa d ng nhưng quá trình điều khiển cũng như

kết cấu vẫn chưa hoàn toàn tối ưu [hình 1.1.3 b, c, d], vẫn còn ph c t p về kết cấu

Trong nước, hiện nay các đề tài về nghiên c u để điều khiển tốc độ turbine gió cũng đã và đang được nghiên c u rộng rãi Tuy nhiên, vẫn còn nhiều h n chế như bộ điều tốc kém ổn định, phương pháp điều khiển ph c t p

1.2 Đ i t ng vƠ ph m vi nghiên c u:

Đối tượng nghiên c u là turbine gió trục ngang

Nghiên c u, phân tích động lực học turbine gió trục ngang

Tối ưu hóa hệ thống xoay cánh bằng hệ bánh răng nón

Thiết kế và chế t o mô hình

Thực nghiệm so sánh với tính toán lý thuyết

1.3 ụ nghĩa khoa h c vƠ ý nghĩa th c ti n c a đ tƠi:

Về ý nghĩa khoa học: Đề tài đưa ra một kết cấu và phương pháp điều khiển tốc độ turbine gió hoàn toàn mới, tối ưu và kh năng gi i quyết được những khó khăn trước mắt c a một turbine gió, đáp ng linh ho t với sự thay đổi tốc độ c a trục chính, vừa

đ m b o sự cân bằng tuyệt đối cho turbine,…

Về ý nghĩa thực tiễn: Đề tài mang tính th i sự cao, là vấn đề được quan tâm nhiều

th i điểm hiện t i, thiết kế và điều khiển đơn gi n có thể sử dụng cho turbine gió có công suất nhỏ sử dụng t i gia đình và có ý nghĩa rất lớn với ngành công nghiệp gió đòi hỏi công suất lớn được sử dụng ngoài khơi

1.4 Ph ng pháp nghiên c u:

Tham kh o tài liệu

Phân tích số liệu, tính toán trên cơ s lý thuyết

Thực nghiệm và thu thập số liệu

CH NG 2

C S Lụ THUY T

2.1 T ng quan v năng l ng gió

2.1.1 Định nghĩa turbine gió và máy phát điện gió

Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng c a gió thành cơ năng Máy năng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trư ng hợp c a cối xay bằng s c gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trư ng hợp máy phát điện bằng s c gió Máy phát điện bằng s c gió bao gồm nhiều thành phần khác nhau Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; lo i dùng nam châm bền và cánh đón lấy gió Còn l i là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắcquivà cuối cùng là một chiếc máy đổi điện

(inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiềuthông dụng

Máy phát điện turbine gió thư ng sử dụng máy phát là lo i xoay chiều có nhiều cặp cựcdo kết cấu đơn gi n và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp c a turbine gió

Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thư ng được xây dựng gần nhau và điện năng s n xuất ra được hòa vào m ng điệnchung sau đó biến đổi để có được nguồn điện phù hợp Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình) Việc lưu điện vào ắc quy và sau

đó chuyển đổi l i thư ng cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra

Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác Ngư i ta dùng cánh qu t gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ thống rất nhiều bình khí nén Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để

xoay động cơ vận hành máy phát điện Quá trình n p khí và x khí được luân phiên giữa các bình, bình này đang x thì các bình khác đang được n p b i cánh qu t gió Điện sẽ được ổn định liên tục

Hiện nay có hai kiểu turbine phổ biến, đó là lo i trục ngang và lo i trục đ ng,

thư ng được thiết kế như [hình 2.2.2]

Hình 2.1.1 Các d ng turbine gió

2.1.2 Lịch sử phát triển c a năng lượng gió

Lịch sử phát triển c a thế giới loài ngư i đã ch ng kiến những ng dụng c a năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết

bị bơm nước ho t động và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa Theo những tài liệu cổ thì b n thiết kế đầu tiên c a chiếc cối xay ho t động nh vào s c gió

là vào kho ng th i gian những năm η00-900 sau Công Nguyên t i Ba Tư (Irac ngày nay) Đặc điểm nổi bật c a thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đ ng, minh ho một mô hình cánh gió được lắp t i Trung Mỹ vào cuối thế kỷ

19, mô hình này cũng có cấu t o cánh đón gió quay theo trục đ ng

Hình 2.1.2.1 Mô hình cánh gió t i Trung Mỹ, cuối thế kỷ 19

Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện t i châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng ph c t p hơn mô hình thiết kế t i Ba Tư C i tiến cơ b n c a thiết kế này là đã tận dụng được lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió, do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió

c a cối xay gió th i kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm η00 -

900 t i Ba Tư Một trong các ng dụng thành công nhất c a năng lượng gió là sử dụng rộng rãi c a máy bơm nước trên hòn đ o Crete đây, hàng trăm cánh buồm, cánh

qu t cối xay gió để bơm nước cho cây trồng và vật nuôi

Hình 2.1.2.2 Sử dụng cối xay gió để bơm nước trên đ o Crete

Hình 2.1.2.3 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13

Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế c a thiết bị ch y bằng s c gió càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ng dụng: chế t o các máy bơm nước, trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm v i… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện c a máy hơi nước, thiết bị ch y bằng s c gió dần dần bị thay thế Lịch sử con ngư i đã bước sang th i kỳ mới với những công

cụ mới: máy ch y hơi nước

Quá trình hoàn thiện những cánh buồm cối xay gió, c i tiến tăng thêm hiệu qu , mất η00 năm B i th i gian quá trình này được hoàn thành, thuyền buồm cối xay gió đã có tất c các tính năng chính được công nhận b i các nhà thiết kế hiện đ i là rất quan trọng đến việc thực hiện c a các cánh qu t turbine gió hiện đ i Trong khi tiếp tục bước vào thế kỷ 19, việc sử dụng c a các nhà máy tháp lớn gi m với tăng cư ng sử dụng động cơ hơi nước

Đối với hàng trăm năm, các ng dụng quan trọng nhất c a cối xay gió cấp độ sinh

ho t phí đã được cơ khí bơm nước sử dụng hệ thống tương đối nhỏ với đư ng kính cánh qu t c a một vài mét Các hệ thống này đã được hoàn thiện t i Hoa Kỳ trong thế

kỷ 19, bắt đầu từ Halladay năm 18η4, vẫn đang được sử dụng ngày hôm nay

Năm 1888, Charles F Brush đã chế t o chiếc máy phát điện ch y s c gió đầu

tiên, và đặt t i Cleveland, Ohio Nó có đặc điểm:

 Cánh ghép thành xuyến tròn, đư ng kính vòng ngoài 17 m

 Sử dụng hộp số (tỉ số truyền η0 : 1) ghép giữa cánh turbine với trục máy phát

 Tốc độ định m c c a máy phát là η00 vòng/phút

 Công suất phát định m c là 12kW

Hình 2.1.2.5 Máy phát điện s c gió do Charles F.Brush chế t o

Phát triển châu Âu tiếp tục sau khi chiến tranh thế giới th II, khi tình tr ng thiếu hụt

t m th i c a nhiên liệu hóa th ch đã dẫn đến chi phí năng lượng cao hơn Như Hoa

Kỳ, các ng dụng ch yếu cho các hệ thống này là kết nối với lưới điện

Phát triển dọc trục cánh qu t hiện đ i được bắt đầu t i Pháp b i GJM Darrieus trong những năm 1920 Trong một số cánh qu t thiết kế, một trong những quan trọng nhất là một cánh qu t bao gồm m nh, cong, phần lưỡi dao gắn phía trên và dưới cùng c a một ống thẳng đ ng quay, đã được tái phát minh vào cuối những năm 19θ0 b i hai nhà nghiên c u Canada

Nỗ lực c a Mỹ t i Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia bắt đầu sau khi lệnh cấm vận dầu năm 1973, với sự xâm nhập c a Chương trình Năng lượng gió liên bang Mỹ vào chu kỳ phát triển năng lượng gió

Quá trình hoàn thiện những cánh buồm cối xay gió, c i tiến tăng thêm hiệu qu , mất η00 năm B i th i gian quá trình này được hoàn thành, thuyền buồm cối xay gió đã có tất c các tính năng chính được công nhận b i các nhà thiết kế hiện đ i là rất quan trọng đến việc thực hiện c a các cánh qu t turbine gió hiện đ i

Và cho tới ngày nay thì turbine gió đã phát triển m nh trên hệ thống toàn cầu Anh,

Đ c, Mỹ… Đây chính là nguồn năng lượng được đầu tư m nh từ các quốc gia trong đó

có Việt Nam Gió là nguồn năng lượng có nhiều tiềm năng, cùng với năng lượng mặt

tr i đây là những nguồn năng lượng s ch đem l i nhiều hiệu qu kinh tế cao và có thể thay thế những nguồn nhiên liệu trước đây…

2.2 Phơn lo i turbine gió

Hiện nay đặc điểm ngư i ta phân turbine gió làm hai lo i cơ b n sau: Turbine gió trục đ ng và turbine gió trục ngang

2.2.1 Turbine gió trục đ ng

Hình 2.2.1 Một d ng turbine gió trục đ ng Một turbine gió trong đó trục quay là vuông góc với luồng gió và mặt đất Turbine gió trục đ ng làm việc giống như một bánh xe nước

Những ưu điểm cơ b n c a turbine gió trục đ ng là:

Các máy phát điện, hộp số có thể đặt trên mặt đất

Cánh qu t tự động hướng gió bất c vị trí nào

Những khó khăn cơ b n:

Tốc độ gió thấp vì đặt gần với mặt đất Do đó, tốc độ gió sẽ rất thấp trên phần dưới c a các cánh qu t

Hiệu suất tổng thể c a turbine trục dọc không cao 2.2.2 Turbine gió trục ngang

Hình 2.2.2 Một d ng turbine gió trục ngang

Một turbine gió, trong đó trục quay c a rotor là song song với các luồng gió và mặt đất là turbine gió trục ngang Tất c các kết nối lưới điện turbine gió thương m i ngày hôm nay được xây dựng với một cánh qu t-rotor lo i trên một trục ngang (t c là một trục ngang chính) Hầu hết các trục ngang turbine được xây dựng ngày hôm nay là hai hoặc ba cánh, mặc dù một số có lưỡi ít hay nhiều Mục đích c a cánh qu t là để chuyển đổi những chuyển động tuyến tính c a gió thành năng lượng quay có thể được

sử dụng để phát điện Nguyên tắc cơ b n giống nhau được sử dụng trong một turbine nước hiện đ i, nơi có dòng ch y c a nước là song song với trục quay c a cánh turbine

Gió đi qua c bề mặt c a cánh, một mục tiêu trong thiết kế turbine gió là cánh

turbine Tỷ lệ này có thể khác nhau dọc theo chiều dài c a cánh turbine để tối ưu hóa

năng lượng c a turbine gió tốc độ khác nhau Đặc điểm nổi bật c a turbine gió trục

ngang là tiết diện c a tất c các cánh đều h ng gió tốt, nên có thể đ t tối đa công suất

Hiện nay việc xây dựng turbine gió trục ngang đang được sử dụng rộng rãi dựa trên

nhiều ưu điểm c a nó.Vì vậy, từ những ưu nhược điểm, mô hình được sử dụng nghiên

c u chính là turbine gió lo i trục ngang

2.3 Đ ng l c h c c a cánh turbine gió

2.3.1 Thuyết động học c a turbine :

[Hình 2.3.1.1] cho thấy sự di chuyển c a không khí với U.Δt chiều dài, và A là mặt

cắt ngang với mật độ ρ, thể tích dòng ch y trong mẫu thí nghiệm là ρ.U.Δt.A , do đó

lưu lượng đi qua trong mỗi giây là:

m = ρUA (2.1) Tương tự, động lượng và năng lượng sinh ra trong dòng ch y:

Động lượng m.U.U2.A (2.2) Năng lượng m U .U .A

2 1

2

1 2   3 (2.3)

Động lượng và năng lượng bị nh hư ng b i lực D, đã tác động gây c n tr dòng

ch y Quá trình này được thể hiện rõ nhất qua [hình 2.3.1.2]

Lực đẩy D được xác định b i đơn vị ∆p=D/A (2.4)

Với sự di chuyển dòng ch y như trong [hình 2.3.1.2], Theo phương trình Bernoulli ,

các động lượng và năng lượng năng lượng sinh ra được tính:

D.A.V1(UV e) (2.5) )

2

12

1( A V1 U2 U e2

(2.9)

Thay vào phương trình (2.η), (2.θ) ta được:

.4 (1 )

2

a a A U

D   (2.10)

3 2

) 1 ( 4 2

A U

P

 (2.13)

với Cdhệ số c n tr c a turbine, Cphệ số hiệu năng làm việc c a turbine

Hiệu suất làm việc c a một turbine thư ng được xác định theo công th c:

27

16)

32.(

.21



V A

p V A E

C p (2.15)

Năng lượng gió là động năng c a không khí chuyển động với vận tốc v Khối

lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong th i gian t là:

m   V   A v t    r2 v t (2.16)

với ρ là tỷ trọng c a không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kính r trong th i gian t

Vì thế động năng E và công suất P c a gió được xác định:

E m v r v t

2

Có thể gi i thích một cách dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió, gió sẽ chậm l i, nhưng vì khối lượng dòng ch y không khí đi vào và ra một turbine gió ph i không đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn ph i m rộng tiết diện mặt cắt ngang Chính vì lý do này mà biến đổi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay thông qua một turbine gió là điều không thể được Việc biến đổi năng lượng gió tuân theo những nguyên lý cơ b n về kh năng sử dụng gió và kh năng tối

ưu c a cánh turbine

Đặt turbine gió trong dòng ch y c a không khí, khi không khí đến gần turbine bị

l i, áp suất dòng ch y tăng lên và vận tốc gi m, đến khi dòng ch y ch m vào mặt turbine trao cho turbine năng lượng Dòng ch y phía sau turbine bị nhiễu xoáy, gây b i chuyển động c a turbine và sự tác động với các dòng không khí xung quanh

Về nguyên tắc, dòng ch y ph i được duy trì Do đó, năng lượng turbine thu nhận được bị h n chế Trong trư ng hợp toàn bộ năng lượng gió được turbine thu nhận, thì vận tốc gió đằng sau turbine sẽ bằng không Muốn cho dòng ch y được cân bằng giữa khối lượng và vận tốc, năng lượng ch y qua turbine ph i bị mất mát Đối với

hệ tối ưu, số phần trăm cực đ i c a năng lượng gió có thể thu nhận được tính theo công

th c do Carl Betz đưa ra năm 1927 :

2

V 0,593 A

Pmax  03 (2.19)

Trong đó : Pmaxlà công suất cực đ i turbine

A là diện tích quét c a cánh turbine

V0 là vận tộc gió ban đầu - Mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích dòng ch y không khí

Số 0,η93 được gọi là giới h n Betz hoặc hệ số Betz

Bằng phương pháp phân tích đơn gi n về động lượng đối với động cơ gió trục ngang tìm được hệ số công suất cực đ i c a nó là 1θ/27 t c là η9,3% Điều này đã được Betz ch ng minh (1927) Hiển nhiên đây là trư ng hợp số cánh vô h n (tr lực bằng không) là điều kiện c a một động cơ gió lý tư ng Trong thực tế có ba nhân tố làm gi m nhỏ hệ số công suất cực đ i:

(1) Phía sau turbine gió tồn t i dòng xoáy

(2) Số cánh c a turbine gió là có h n

(3) Cd/Clkhông bằng 0

Cl là hệ số nâng, Cdlà hệ số c n Ta có:

A 21

V - vận tốc dòng không khí (gió) không bị nhiễu lo n

A - Diện tích hình chiếu c a cánh (diện tích h ng gió) m2

L - Lực nâng

D - Lực c n

Như vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt h ng gió c a cánh turbine, thì hiệu suất

sử dụng năng lượng gió c a turbine thay đổi, t c là thay đổi lực tác dụng lên cánh làm quay turbine Khi gió tăng tốc độ, năng lượng gió tăng lên, nhưng công suất trên trục turbine hầu như không tăng lên

Hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió rất khác nhau về kích thước, hình

d ng và d ng năng lượng cuối cùng nhận được Nói chung hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió có các phần: Bộ góp s c gió, chuyển động sơ cấp, thiết bị s n sinh năng lượng cuối cùng

Hệ thống máy phát điện gió, d ng năng lượng cuối cùng là điện năng; bộ góp gió là turbine gió, chuyển động sơ cấp là chuyển động quay tròn c a trục turbine, thiết

bị s n sinh điện năng là máy phát điện Để máy phát điện ho t động tốt, có thể hoà được vào lưới điện quốc gia, chuyển động sơ cấp chuyển động quay tròn c a trục turbine ph i có tốc độ quay hợp lý và ít thay đổi

2.3.2 Động lực học cánh turbine gió

Hợp lực c a các thành phần lực khác nhau tác dụng lên cánh dưới tác dụng

c a vận tốc gió V là F, nó thư ng nghiêng so với hướng c a tốc độ tương đối, và được cho b i công th c (2.22):

Hình 2.3.2 Động lực học cánh turbine gió

S V C

2

 (2.22) Với:  là tỷ khối c a không khí

S là diện tích tác dụng, nó bằng tích c a dây cung AB với chiều dài c a cánh

C là tổng hệ số khí động lực học

V là tốc độ gió

i_ góc tới hợp b i vận tốc V và chiều dài đư ng cung cánh turbine

Lực này có thể được chia thành hai phần: lực c n FD và lực nâng FL

Được xác định : )

21( V2 S C

F L  L  (2.23)

)

21( V2 S C

F D  D  (2.24) Với CD và CLtương ng hệ số lực c n và lực nâng Từ những lực thành phần ta có thể viết được:

F  FL2 FD2 ; 2 2

D

L C C

C   (2.25)

Nếu ta phân tích lực F thành hai thành phần Fttrên phương dây cung AB và Fn trên phương vuông góc với AB ta được:

t L

D

t C i C i V S V S C

21 21)sincos

n D

L

21 21)sincos

Với Ct  ( CDcos i  CLsin i ); Cn  ( CLcos i  CDsin i )

Nếu gọi T là mômen động lực học tương đối c a F tác động lên mép trước c a cánh Chúng ta có thể xác định hệ số mômen Cmthông qua biểu th c:

T C m C m.V S.r

2

 (2.28)

với r là kho ng cách t i vị trí đang xét

Như vậy động lực học c a cánh gió được đặc trưng b i lực c n, lực nâng cánh

và mômen động lực

Một turbine gió thư ng gồm nhiều bộ phận nhưng thư ng là những bộ phận chính sau: Một máy đo vận tốc gió và chuyển kết qu này qua một hệ thống kiểm soát Các cánh

qu t được làm bằng hợp kim nhẹ hay một lo i composite hữu cơ

Một hệ thống thắng để có thể ngừng việc xoay vòng c a qu t gió trong trư ng hợp khẩn cấp hay b o trì

Một hệ thống kiểm soát vận tốc c a gió Hệ thống này tự động ngưng mọi ho t động

c a turbine khi vận tốc gió đ t đến θη dặm/ gi vì với vận tốc này sẽ làm nóng và có thể làm hư máy phát điện Một hệ thống hộp số có nguyên tắc giống như hộp số xe hơi,

có mục đích làm tăng vận tốc quay c a gió từ 30 đến θ0 vòng/phút lên 1.200 đến 1.η00 vòng/phút để có kh năng phát ra điện Đây là phần chính yếu c a turbine gió và giá

thành c a bộ phận này chiếm 7η% già thành c a toàn hệ thống turbine Vì vậy, những nhà nghiên c u hiện t i cố gắng tìm gi i pháp thay thế khác để có thể biến gió thành điện năng những vận tốc quay thấp mà không cần đến bộ phận này,…

Sau cùng, một máy phát điện để dự trữ điện năng từ hệ thống turbine gió phát ra

2.4.1 Phân tích lực tách dụng lên cánh turbine

Một turbine gió khi đang ho t động chịu tác dụng chính b i 2 lực: lực nâng cánh (L) _lực này sinh ra moment có tác dụng làm turbine ho t động và lực c n (D)_lực này có tác dụng c n tr chuyển động quay c a turbine

Hình 2.4.1.1:Phân tích lực tác động lên cánh turbine [5]

Hình 2.4.1.2 Biểu diễn lực trên mặt phẳng cắt ngang c a cánh turbine [5]

Hình 2.4.1.3 Các yếu tố nh hư ng đến cánh turbine [4]

 : Vận tốc góc turbine  :góc dòng vào turbine

 :góc xoay c a cánh  :góc tới (gió)

V0(1-a): tốc độ gió t i vị trí đang xét Vrel : tốc độ tổng hợp

L: Lực nâng (vuông góc với Vres) D: Lực c n (song song với Vres)

 Lực tác dụng lên turbine gồm:

Lực nâng

)

21

C

F L  L  rel (2.29) Lực c n )

21

C

F D  D  rel (2.30) Trong đó 2 2

0 2

)

( r V

V rel    (2.31)

2 0

2

).(

 Góc tới  là góc giữa chiều dài dây cung cánh và vecto vận tốc tổng hợp

c a turbine và có liên quan đến lực R _đây là lực tác dụng lên cánh có thể phân tích

thành hai lực : một là lực nâng L có phương vuông góc với vecto vận tốc Vrel , một là lực c n D có phương song song với vecto vận tốc Vrel

Khi tốc độ gió tăng cao lớn hơn so với vận tốc góc r. thì góc tới sẽ tăng, khi góc góc tới tăng dẫn đến lực c n D tăng làm gi m hiệu suất ho t động c a turbine

Hình 2.4.2.2 Góc tới  tăng làm nh hư ng đến hiệu suất làm việc turbine [4]

 Góc xoay cánh  là góc hợp b i chiều dài dây cung cánh và mặt phẳng quay c a turbine Ngư i ta cũng thư ng phân lo i turbine gió theo kiểu góc  , nghĩa là turbine có góc  cố định và lo i turbine có góc thay đổi

 Góc c a dòng khí vào turbine  là góc hợp b i vận tốc tổng hợp và mặt phẳng quay

c a turbine Góc c a dòng khí vào turbine có vai trò quan trọng nh hư ng đến công

suất c a turbine Như vậy dựa vào [hình 2.4.2.2] ta thấy t i vị trí tâm turbine (r = 0)

thì vận tốc tổng hợp t i đây Vrel = V0(1-a) , t i vị trí này năng lượng đo turbine sinh ra bằng không, giá trị góc dòng khí vào turbine lúc này là = 900

Thư ng khi vận tốc gió tăng cao, khiến cho góc tới tăng làm nh hư ng đến hiệu suất

c a turbine Trong trư ng hợp này, để turbine ho t động bình thư ng thì ngư i ta sẽ tìm cách gi m góc tới bằng cách tăng góc xoay cánh Môt turbine gió cỡ ho t động hiệu qu nhất khi góc  nằm giới h n trong kho ng  =(00 ; 450)

Monment xoắn sinh ra b i lực tác dụng lên turbine được xác định

T = ( FLsin φ –FDcos φ).r (2.33) Năng lượng sinh ra P = T Ω = ( FLsin φ –FDcos φ) Ω.r

= [FL sin ( + α ) – FD cos ( + α )] Ωr (2.34)

Hình 2.4.2.3 Hình biểu diễn mặt phẳng lực Một trong những đặc điểm quan trọng c a turbine là mối quan hệ giữa lực nâng, lực

c n và góc tới Lực nâng và lực c n còn liên hệ với chiều dài dây cung c công th c (2.35)

2.4.3 Mối quan hệ giữa góc tới α và Cl, Cd:

Mối quan hệ giữa Cl và góc tới α c a một turbine gió được biểu diễn trong

[hình 2.4.3] Trong điều kiện thuân lợi nhất, một turbine gió ho t động hiệu qu lý

tư ng, với giá trị góc tới α =[-100

- 120] T i th i điểm này thì giá trị c a hệ số lực c n

Cd là nhỏ nhất( gần như bằng 0) Dựa vào hình dưới ta thấy giới h n đáng tin cậy c a góc tới, khi vượt qua ngoài vùng này thì hệ số Cd tăng lên đáng kể

Hình 2.4.3: Mối quan hệ giữa góc tới α và Cl, Cd [6]

[B ng 2.4.3] là giá trị hệ số nâng Clvà hệ số c n Cdtương ng với từng giá trị góc tới,

sự thay đổi c a hệ số Cl , Cd theo giá trị góc tới Giá trị góc tới càng tăng tỉ số Cl / Cd càng gi m

B ng 2.4.3 : Giá trị hệ số nâng và hệ số c n tương ng với từng góc tới

Góc tới (α) Hệ số nâng Cl Hệ số c n Cd Cl / Cd

Tỉ số Cl/Cd thể hiện kh năng ho t động c a một turbine gió, tỉ số này càng lớn,

công suất mà turbine t o ra càng nhiều, dựa vào biểu đồ [hình 2.4.3], ta thấy turbine

gió ho t động hiệu qu khi góc tới α = [-80

; 100], thư ng thì ta chỉ xét trong kho ng giá trị α = [00

; 100]

CH NG 3 TệNH TOÁN THI T K C KHệ

3.1 Thi t k cánh turbine

p

2/

2



  (3.1)

Trong đó: + : hiệu suất turbine gió

Theo tính toán lý thuyết thì max=0,η93, nhưng thực tế = 0,3 † 0,η

+ ρ = 1,22η(kg/m3): khối lượng riêng c a không khí

+ s = Π.R2: diện tích quét c a cánh qu t

  3

2 2

2

v

p R

s  

 (3.2)

5,0.14,3.8.225,1

500.2

2

3 3

Hình 3.1.1 Đư ng kính turbine thiết kế

Vậy chúng ta sẽ thiết kế cánh qu t có bán kính R = 1 (m)

3.1.2 Tỷ số tốc độ đỉnh TSR (Tip Speed Ratio)

Tỷ số tốc độ đỉnh TSR (hay vận tốc tip  ) c a turbine gió là tỉ số giữa tốc độ quay

t i vị trí đầu cánh với tốc độ gió thực tế Đối với ngư i thiết kế, các giá trị độc lập Ω,

, V0, L(α), D(α) và số lượng cánh là các giá trị có thể tối ưu hoá Giữa giá trị vận tốc

góc Ω và vận tốc gió V0liên hệ với nhau b i công th c (3.3)